嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)VxWorks提供的中斷處理機(jī)制中斷延遲小，應(yīng)用編程方便。MPC860是目前在網(wǎng)絡(luò)與通信領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一款微處理器芯片。論文詳細(xì)分析了VxWorks及MPC860的中斷處理機(jī)制，闡述了中斷處理應(yīng)用編程的過程，并給出了應(yīng)用實(shí)例。
1 引言
中斷是外部事件通知操作系統(tǒng)的最常用手段。中斷處理機(jī)制是計算機(jī)多任務(wù)環(huán)境運(yùn)行的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)實(shí)時性的保證[1]。
VxWorks是美國Wind River公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。內(nèi)核wind在任務(wù)調(diào)度、中斷處理及網(wǎng)絡(luò)處理等方面與其它嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)相比具有一定的優(yōu)勢。特別是其提供的微秒級的中斷處理為VxWorks在嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)領(lǐng)域的旗艦地位奠定了基礎(chǔ)。
Motorola公司推出的MPC860是目前在網(wǎng)絡(luò)與通信領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛的一款微處理器芯片。高速的PowerPC內(nèi)核，連同集成的網(wǎng)絡(luò)與通信外圍設(shè)備，為用戶提供了一個建立高端通信系統(tǒng)的全新系統(tǒng)解決方案。因其體系結(jié)構(gòu)與通用的x86體系結(jié)構(gòu)有很大的不同，理解其中斷處理機(jī)制及編寫相應(yīng)的中斷處理程序成為系統(tǒng)移植與應(yīng)用中的難點(diǎn)。
2 VxWorks下的中斷處理機(jī)制
2.1 中斷處理的實(shí)時性設(shè)計
VxWorks采用中斷處理與普通任務(wù)分別在不同的棧中處理的中斷處理機(jī)制[2]。中斷處理程序運(yùn)行于一種特殊的上下文環(huán)境中，沒有任務(wù)控制塊（Task Control Block， TCB），這使得中斷的產(chǎn)生只會引發(fā)一些關(guān)鍵寄存器的存儲而不會導(dǎo)致任務(wù)上下文的切換，從而減小了中斷延遲。
VxWorks下的中斷服務(wù)程序（ISR， Interrupt Service Routine）只完成在最小時間內(nèi)通告中斷的發(fā)生，而將其它的非實(shí)時處理盡量通過中斷與任務(wù)間的通信機(jī)制放在被引發(fā)的任務(wù)上下文中來完成，類似于Linux中的底半處理機(jī)制，這樣既可以避開中斷服務(wù)程序編寫的種種限制，又進(jìn)一步縮小了中斷延遲。
VxWorks在內(nèi)核Wind中普遍采用被高度優(yōu)化的信號量而不是關(guān)中斷來實(shí)現(xiàn)互斥訪問，這也對縮小中斷延遲有一定的貢獻(xiàn)。
2.2 方便的中斷編程接口
為了讓用戶方便的使用C語言編寫中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)對中斷的控制，VxWorks在體系結(jié)構(gòu)無關(guān)例程庫intLib和體系結(jié)構(gòu)相關(guān)例程庫intArchLib中提供了系統(tǒng)接口函數(shù)[3]。對于應(yīng)用程序員一般只需了解intLib庫即可，而BSP（Board Support Packet，板級支持包）程序員則還需要了解intArchLib庫。對例程庫的詳細(xì)描述請參見參考文獻(xiàn)[3]。
接口函數(shù)中最常用的是在intLib庫中提供的中斷連接函數(shù)intConnect（）。其函數(shù)原型為
STATUS intConnect
（
VOIDFUNCPTR ＊ vector,/＊需要連接的外部中斷向量＊/
VOIDFUNCPTR routine,/＊中斷發(fā)生時調(diào)用的中斷服務(wù)程序＊/
int parameter /＊傳遞給中斷服務(wù)程序的參數(shù)＊/
）
該函數(shù)將指定的中斷服務(wù)程序routine與指定的外部事件中斷向量vector相關(guān)聯(lián)。當(dāng)指定的外部中斷事件發(fā)生時，該函數(shù)以指定的參數(shù)parameter為參數(shù)，調(diào)用中斷服務(wù)程序，完成相應(yīng)的中斷服務(wù)。
3 MPC860的中斷處理機(jī)制
MPC860[4]有三個主要組成部分：嵌入式PowerPC內(nèi)核（Core）、系統(tǒng)接口單元（SIU，System Interface Unit）和通信處理模塊（CPM, Communications Processor Module）。MPC860屬于雙處理器體系結(jié)構(gòu)。嵌入式PowerPC內(nèi)核是主處理單元，包括高速緩存（CACHE）和內(nèi)存管理單元（MMU），它是一個RISC芯片，通常開發(fā)編譯后的程序指令都是由它執(zhí)行。通信處理模塊內(nèi)部也集成了一個RISC微處理器，對各種常用的通信模塊進(jìn)行管理。由于CPM 分擔(dān)了嵌入式PowerPC內(nèi)核的外圍工作任務(wù)，這種雙處理器體系結(jié)構(gòu)功耗低于傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的處理器。系統(tǒng)接口單元主要提供內(nèi)外總線的接口，以及一些其它功能如SIU中斷的管理等。
3.1 MPC860的中斷體系結(jié)構(gòu)
MPC860的中斷體系結(jié)構(gòu)有三個模塊：PowerPC內(nèi)核、SIU中斷控制器（SIU Interrupt Controller）和CPM中斷控制器（CPM Interrupt Controller）。如圖1所示。
CPM中斷控制器對通信處理模塊的各個中斷進(jìn)行管理，它接收12個外部中斷源和17個內(nèi)部中斷源的中斷請求，經(jīng)過屏蔽和判優(yōu)處理后，把中斷請求送往SIU中斷控制器。CPM中斷控制器為每個中斷源分配了一個中斷向量號，并且分配了不同的優(yōu)先級，還可以編程設(shè)定哪個中斷源為最高優(yōu)先級。所有的CPM中斷在SIU中斷控制器中產(chǎn)生的中斷向量號都是一樣的。
圖1 MPC860中斷體系結(jié)構(gòu)
SIU中斷控制器負(fù)責(zé)管理8個外部中斷源（IRQ0～7）和8個內(nèi)部中斷源（Level0～7），其中IRQ0一般用作不可屏蔽中斷，通過NMI向PowerPC內(nèi)核請求中斷，其余15個通過外部中斷引腳IREQ請求中斷。對于8個內(nèi)部中斷源，包括時間基準(zhǔn)（TB）、周期性的中斷定時器（PIT）、實(shí)時時鐘（RTC）、PCMCIA以及CPM等，用戶可以通過對寄存器的操作，把它們設(shè)定為Level0～7中的任何一級。SIU中斷控制器已經(jīng)設(shè)定了這16個中斷源之間的優(yōu)先級，其中IRQ0的優(yōu)先級最高，Level0其次，IRQ1再次，依此類推，Level7的優(yōu)先級最低。
PowerPC內(nèi)核接收到中斷請求信號后，保存內(nèi)核中斷現(xiàn)場，即將程序計數(shù)器保存到SRR0，機(jī)器狀態(tài)寄存器（MSR，Machine State Register）保存到SRR1，并改變MSR相關(guān)的信息，然后按異常向量表轉(zhuǎn)入外部中斷偏移地址處（0x500）執(zhí)行最大長度為256個字節(jié)的SIU中斷服務(wù)程序，完成中斷服務(wù)。
3.2 中斷處理流程
MPC860的中斷處理流程如圖2所示。內(nèi)核在收到中斷請求，保存中斷現(xiàn)場后執(zhí)行SIU中斷服務(wù)程序。首先保存用戶中斷現(xiàn)場，保存關(guān)鍵寄存器到中斷堆棧，并設(shè)置堆棧入口，然后讀取產(chǎn)生SIU中斷的中斷向量號，根據(jù)中斷向量號判斷中斷源，再跳轉(zhuǎn)到各個中斷源相應(yīng)的服務(wù)程序中執(zhí)行。讀到的中斷向量號如果對應(yīng)的是CPM，要轉(zhuǎn)入CPM中斷服務(wù)程序中執(zhí)行。在CPM中斷服務(wù)程序中，首先內(nèi)核將CPM中斷向量寄存器（CIVR，CPM Interrupt Vector Register）的IV位置1，然后讀取CPM中斷向量號，再根據(jù)中斷向量號調(diào)用對應(yīng)的中斷服務(wù)程序。這樣，所有的CPM中斷源，在進(jìn)入中斷處理程序之前，都經(jīng)過了SIU中斷控制器和CPM中斷控制器兩級處理。另外，由于MPC860是RISC處理器，它有許多通用寄存器，在中斷服務(wù)程序中應(yīng)該把影響到的關(guān)鍵寄存器壓入到堆棧中，在退出中斷服務(wù)程序之前再恢復(fù)。
圖2 MPC860的中斷處理流程
4 中斷處理應(yīng)用編程
實(shí)際中斷處理應(yīng)用編程主要包括兩部分工作：一是編寫中斷初始化程序，進(jìn)行初始化和中斷連接;二是編寫中斷服務(wù)程序完成中斷服務(wù)功能。
4.1 編寫中斷初始化程序
中斷初始化程序的首要工作是初始化中斷寄存器，包括打開SIU中斷屏蔽寄存器（SIMASK，SIU Interrupt Mask）對應(yīng)的屏蔽位，使能外部中斷。如果是SIU的外部中斷，應(yīng)該初始化SIU中斷邊沿/電平寄存器（SIEL，SIU Interrupt Edge/Level Register），以設(shè)定中斷是下降沿觸發(fā)還是低電平觸發(fā)。如果使用了CPM中斷，還應(yīng)該初始化CPM中斷配置寄存器（CICR，CPM Interrupt Configuration Register）和CPM中斷屏蔽寄存器（CIMR，CPM Interrupt Mask Register），以設(shè)定CPM在SIU中斷控制器中的中斷優(yōu)先級，以及其內(nèi)部的最高優(yōu)先級中斷源。對于子塊可屏蔽中斷源，還應(yīng)該打開對應(yīng)的事件屏蔽寄存器。
中斷初始化程序還必須把SIU中斷服務(wù)程序放到正確的位置。在VxWorks環(huán)境下調(diào)用intConnect（）函數(shù)即將中斷服務(wù)程序與外部中斷源連接起來。
4.2 編寫中斷服務(wù)程序
由于中斷服務(wù)程序不是在規(guī)則的任務(wù)上下文中運(yùn)行（它沒有任務(wù)控制塊，中斷處理程序共享一個堆棧等），中斷服務(wù)程序必須遵守一個基本約束：它必須不能調(diào)用可能直接或間接導(dǎo)致阻塞的函數(shù)。例如，ISR不能獲取信號量，但可以釋放信號量;ISR不能直接或間接調(diào)用內(nèi)存操作函數(shù)malloc（）和free（）;ISR不能通過VxWorks驅(qū)動來執(zhí)行I/O操作，但VxWorks的管道驅(qū)動程序是一個例外;ISR也不能使用printf（）進(jìn)行打印，VxWorks專門為ISR打印信息設(shè)計了一個記錄功能，允許向系統(tǒng)輸出平臺打印文本信息。具體能被中斷服務(wù)程序調(diào)用的函數(shù)請參見參考文獻(xiàn)[5]。
由于中斷服務(wù)通常涉及到任務(wù)級代碼，并且中斷服務(wù)程序受到種種限制，VxWorks支持在中斷級運(yùn)行的中斷服務(wù)程序直接與一般任務(wù)進(jìn)行通信。其通信機(jī)制有共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、信號量、消息隊(duì)列、管道、信號等。其中，信號量是VxWorks提高中斷服務(wù)程序與任務(wù)的合作性能的最好機(jī)制。理想情況下，一個中斷服務(wù)程序僅僅調(diào)用semGive（）函數(shù)釋放一個信號量，發(fā)起一個任務(wù)來完成必要的處理[6]。
5 中斷處理應(yīng)用實(shí)例
下面給出VxWorks下MPC860的中斷處理的應(yīng)用實(shí)例。我們在某項(xiàng)目開發(fā)中利用中斷通知MPC860讀取外圍器件FIFO的數(shù)據(jù)。相關(guān)的硬件連接如圖3所示。
圖3 中斷處理應(yīng)用實(shí)例的硬件連接
其中，F(xiàn)IFO采用IDT公司的IDT72V3650芯片，F(xiàn)PGA采用ALTERA公司APEX20K系列的EP20K1500E器件。FIFO芯片提供了五個空滿狀態(tài)標(biāo)志位，可根據(jù)不同的實(shí)際需求方便的通過FPGA編程向MPC860的IRQ2和IRQ1分別發(fā)送開始讀信號和停止讀信號，從而在時鐘的驅(qū)動下讀取FIFO數(shù)據(jù)。
中斷應(yīng)用程序的主要實(shí)現(xiàn)函數(shù)的代碼及注釋如下：
/＊＊＊初始化，中斷連接＊＊＊/
void tRdFifoInit（void）
｛
＊SIEL（RegBase）|=0x28000000; /＊設(shè)置外部中斷源IRQ1、IRQ2下降沿觸發(fā)＊/
startSem=semBCreate（SEM_Q_FIFO,SEM_EMPTY）;
/＊創(chuàng)建二進(jìn)制信號量，以便實(shí)現(xiàn)中斷與任務(wù)的通信＊/
intConnect（IV_IRQ1,（VOIDFUNCPTR）stopRdISR,NULL）;
intConnect（IV_IRQ2,（VOIDFUNCPTR）startRdISR,NULL）;
/＊分別將外部中斷源與中斷服務(wù)程序相連接＊/
intEnable（IVEC_TO_INUM（IV_IRQ1））; intEnable（IVEC_TO_INUM（IV_IRQ2））;
/＊分別使能外部中斷＊/
｝
/＊＊＊開始讀FIFO中斷服務(wù)程序＊＊＊/
void startRdISR（void）
｛
semGive（startSem）;
/＊釋放信號量＊/
RdFlag=1;
/＊設(shè)置讀FIFO數(shù)據(jù)標(biāo)志＊/
＊SIPEND（RegBase）=0x08000000;
/＊清除外部中斷源IRQ2的狀態(tài)位＊/
｝
/＊＊＊停止讀FIFO中斷服務(wù)程序＊＊＊/
void stopRdISR（void）
｛
RdFlag=0;
/＊禁止讀FIFO數(shù)據(jù)標(biāo)志＊/
＊SIPEND（RegBase）=0x20000000;
/＊清除外部中斷源IRQ1的狀態(tài)位＊/
｝
/＊＊＊按照中斷通知讀取FIFO數(shù)據(jù)＊＊＊/
void tRdFifo（void）
｛
while（1）
｛
semTake（startSem,WAIT_FOREVER）;
/＊獲取信號量＊/
while（RdFlag）
｛
…/＊讀取FIFO數(shù)據(jù)＊/
｝
｝
｝
6 結(jié)束語
嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)VxWorks提供的中斷處理機(jī)制中斷延遲小、用戶編程方便，被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中。MPC860的中斷體系結(jié)構(gòu)是理解如PowerPC系列芯片等雙處理器體系結(jié)構(gòu)的中斷處理機(jī)制的難點(diǎn)。本文在詳細(xì)分析兩者中斷處理機(jī)制的基礎(chǔ)上介紹了具體的開發(fā)實(shí)例。該實(shí)例已在TornadoⅡ 2.0.2版本上調(diào)試通過，并成功應(yīng)用于某型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)中。